Interacció nuclear forta

Interacció nuclear forta

Quadro explicatiu de les 4 forces fonamentals.

Archiu:Helium atom caps block 0 .svg

Núcleu d'un àtom d'heli. Els dos protones tenen la mateixa càrrega, pero encara permaneixen junts per la força nuclear residual.

La força nuclear forta és una de les quatre interaccions fonamentals que el model estàndar de la física de partícules establix per a explicar les forças entre les partícules conegudes. Esta força és la responsable de mantindre units als nucleones (protones i neutrons) que coexistixen en el núcleu atòmic, vencent a la repulsió electromagnètica entre els protones que posseïxen càrrega elèctrica del mateix signe (positiva) i fent que els neutrons, que no tenen càrrega elèctrica, permaneixquen units entre sí i també als protones.

És la major força existent en tot l'univers, no existix una força equiparable en l'interacció nuclear forta; puix esta és la que dona l'existència de tot l'univers en conjunt ademés de l'interacció nuclear dèbil, l'electromagnetisme i la gravetat.

Els efectes d'esta força solament s'aprecien a distàncies molt menudes, del tamany dels núcleus atòmics, i no es perceben a distàncies majors a 1 fm. A esta característica li la coneix com de curt alcanç, en contraposició en les de llarc alcanç com la gravetat o l'interacció electromagnètica, que són estrictament d'alcanç infinit.

L'interacció forta és observable en dos rancs i està mediada per dos portadors de força. A una escala major (d'aproximadament 1 a 3 femtómetros), és la força (duta per posades) que unix a protones i neutrons (nucleones) per a formar el núcleu d'un àtom. En l'escala més chicoteta (menys d'uns 0,8 fm, el radi d'un nucleón), és la força (duta pels gluones que manté units als cuarks per a formar protones, neutrons i atres partícules hadrónicas. En este últim context, sol conéixer-se com la força del color. La força forta té inherentemente una força tan alta que els hadrones units per la força forta poden produir noves partícules massives. Aixina, si els hadrones són colpejats per partícules d'alta energia, donen lloc a nous hadrones en lloc d'emetre radiació de moviment lliure (gluón). Esta propietat de la força forta es denomina confinament de color, i impedix la «emissió» lliure de la força forta: en el seu lloc, en la pràctica, es produïxen jets de partícules massives.

En el context dels núcleus atòmics, la mateixa força d'interacció forta (que unix als cuarks dins d'un nucleón) també unix als protones i neutrons per a formar un núcleu. En este sentit, es denomina força nuclear (o força forta residual). Aixina que el residu de l'interacció forta dins dels protones i els neutrons també unix als núcleus. Com a tal, l'interacció forta residual obedix a un comportament depenent de la distància entre els nucleones que és prou diferent de quan actua per a unir als cuarks dins dels nucleones. Ademés, existixen distincions en l'energies d'enllaç de la força nuclear de fusió nuclear front a la fissió nuclear. La fusió nuclear representa la major part de la producció d'energia en el Sol i unes atres estreles. La fissió nuclear permet la desintegració d'elements radiactius i isòtops, encara que sol estar mediada per l'interacció dèbil. De forma artificial, l'energia associada a la força nuclear es llibera parcialment en l'energia nuclear i en les armes nuclears, tant en les armes de fissió basades en urani o plutoni com en les de fusió, com la bomba d'hidrogen.

L'interacció forta està mediada per l'intercanvi de partícules sense massa cridades gluones que actuen entre cuarks, anticuarks i atres gluones. Es creu que els gluones interactuen en els cuarks i atres gluones per mig d'un tipo de càrrega anomenada càrrega de color. La càrrega de color és anàloga a la càrrega electromagnètica, pero es presenta en tres tipos (±roig, ±vert, ±blau) en lloc d'un, lo que dona lloc a un tipo de força diferent, en regles de comportament distintes. Estes regles es detallen en la teoria de la cromodinámica quàntica (QCD), que és la teoria de les interaccions cuark-gluón.

Història

Abans de la década de 1970, els físics no estaven segurs de cóm s'unia el núcleu atòmic. Se sabia que el núcleu estava compost per protones i neutrons i que els protones posseïen una càrrega elèctrica positiva, mentres que els neutrons eren eléctricamente neutres. Segons els coneiximents de la física de l'época, les càrregues positives es repelixen entre sí i els protones carregats positivament deurien fer que el núcleu ixquera despedit. No obstant, açò mai es va observar. Es necessitava una nova física per a explicar este fenomen.

Es va postular una força d'atracció més forta per a explicar cóm el núcleu atòmic estava unit a pesar de la repulsió electromagnètica mútua dels protones. Esta força hipotètica es va denominar força forta, que es creïa que era una força fonamental que actuava sobre els protones i neutrons que componen el núcleu.

Més vesprada es va descobrir que els protones i els neutrons no eren partícules fonamentals, sino que estaven formats per partícules constitutives cridades cuarks. La forta atracció entre els nucleones era l'efecte secundari d'una força més fonamental que unia als cuarks en protones i neutrons. La teoria de la cromodinámica quàntica explica que els cuarks duen lo que es diu una càrrega de color, encara que no té relació en el color visible. Els cuarks en càrrega de color diferent s'atrauen entre sí com a resultat de l'interacció forta, i la partícula que media en açò es va cridar gluón.

Introducció

Forces en el núcleu atòmic

Abans de la década del 1970 se suponia que el protón i el neutró eren partícules fonamentals. Llavors l'expressió força forta o força nuclear forta es referia a lo que hui en dia es denomina força nuclear o força forta residual. Eixa força forta residual és la responsable de la cohesió del núcleu i hui en dia s'interpreta com el camp de força associats a piones emesos per protones, neutrons i demés hadrones (ya siguen bariones o posades). D'acort en la cromodinámica quàntica, l'existència d'eixe camp de piones que manté unit el núcleu atòmic és solament un efecte residual de la verdadera força forta que actua sobre els components interns dels hadrones, els cuarks. Les forces que mantenen units els cuarks són molt més forts que les que mantenen units a neutrons i protones. De fet les forces entre cuarks són degudes als gluones i són tan forts que produïxen el cridat confinament del color que impossibilita observar cuarks nuets a temperatures ordinàries, mentres que en núcleus pesats sí és possible separar alguns protones o neutrons per fissió nuclear o bombardeig en partícules ràpides del núcleu atòmic.

Històricament la força nuclear forta es va postular de forma teòrica per a compensar les forces electromagnètiques repulsivas que se sabia que existien en l'interior del núcleu en descobrir que este estava compost per protones de càrrega elèctrica positiva i neutrons de càrrega elèctrica nula. Es va postular també que el seu alcanç no podia ser major que el propi radi del núcleu per a que atres núcleus propencs no la sentiren, ya que si tinguera un alcanç major tots els núcleus de l'univers s'haurien colapsat per a formar un gran conglomerat de massa nuclear. Per eixa raó li la va denominar en aquell llavors força forta. El model de Yukawa (1935) explicava satisfactòriament molts aspectes de la força nuclear forta o força forta residual.

Model de cuarks

Estructura de cuarks d'un protón.

Despuix del descobriment d'una gran cantitat de hadrones que no semblaven eixercitar cap paper fonamental en la constitució dels núcleus atòmics, es va falcar l'expressió zoològic de partícules, donada la salvage profusió de diferents tipos de partícules l'existència de les quals no s'entenia be.

Moltes d'estes partícules semblaven interactuar per mig d'un tipo d'interacció similar a la força forta, per lo que es varen buscar esquemes per a comprendre dita diversitat de partícules. Un model postulat per a explicar l'existència de tota la gran varietat de bariones i posades va ser el model de cuarks de 1963. Este model postulava que els hadrones i posades trobades experimentalment eren de fet combinacions de cuarks més elementals. Posteriorment experiments a més altes energies varen mostrar que els propis bariones no semblaven ser elementals i semblaven constituïts de parts que es mantenien unides entre sí per algun tipo d'interacció mal compresa. Eixos descobriments finalment varen poder ser interpretats de manera natural en térmens de cuarks.

L'acceptació dels cuarks com a constituents dels hadrones va permetre reduir la varietat continguda en el zoològic de partícules a un número de constituents elementals molt més reduït, pero va obrir el problema de cóm eixos constituents més elementals s'unien entre sí per a formar neutrons, protones i atres hadrones. Ya que eixa força tenia que ser molt intensa i va escomençar a usar-se el terme «força fort» o «interacció forta» en lloc de «força nuclear forta» ya que l'interacció forta apareixia en contexts diferents del núcleu atòmic. Els intents teòrics per comprendre les interaccions entre cuarks varen conduir a la cromodinámica quàntica una teoria para de la força forta que descriu l'interacció dels cuarks en un camp de gluones, que és lo que forma realment els protones i neutrons (que definitivament varen deixar de ser considerats com a partícules elementals). Durant algun temps despuix es va denominar força forta residual a la que anteriorment s'havia cridat força forta, cridant a la nova interacció forta força de color.

Vore també

• Forces fonamentals

• força nuclear dèbil, interacció electromagnètica i gravetat
• Model estàndar de física de partícules i la seua teoria de camps.
• Teoria quàntica de camps i teoria gauge
• Cromodinámica quàntica i cuark
• física nuclear
• Energia d'enllaç nuclear
• Forces nuclears
• Superfuerza